Исследователи из Техасского университета A&M сформулировали новый рецепт, который может предотвратить слабые места в современной броне. Добавив небольшое количество кремния в карбид бора, материал, обычно используемый для изготовления бронежилетов, они обнаружили, что пуленепробиваемое снаряжение можно сделать значительно более устойчивым к ударам на высоких скоростях.
«В течение последних 12 лет исследователи искали способы уменьшить ущерб, наносимый ударом высокоскоростных пуль о броню, сделанную из карбида бора», – сказал доктор. Кельвин Се, доцент кафедры материаловедения и инженерии. "Наша работа, наконец, направлена на удовлетворение этой неудовлетворенной потребности и является шагом вперед в разработке превосходных бронежилетов, которые защитят от еще более мощного огнестрельного оружия во время боя."
Это исследование было опубликовано в октябрьском номере журнала Science Advances.
Карбид бора, получивший название «черный алмаз», представляет собой искусственный материал, который по твердости занимает второе место после другого синтетического материала, называемого кубическим нитридом бора.
Однако, в отличие от кубического нитрида бора, карбид бора легче производить в крупных масштабах. Кроме того, карбид бора тверже и легче, чем другие материалы брони, такие как карбид кремния, что делает его идеальным выбором для защитного снаряжения, особенно баллистических жилетов.
Несмотря на многие желательные качества карбида бора, его основным недостатком является то, что он может очень быстро повредить при высокоскоростном ударе.
«Карбид бора действительно хорошо останавливает пули, летящие со скоростью менее 900 метров в секунду, и поэтому он может довольно эффективно блокировать пули из большинства пистолетов», – сказал Се. «Но выше этой критической скорости карбид бора внезапно теряет свои баллистические характеристики и становится не таким эффективным."
Ученые знают, что высокоскоростные толчки вызывают фазовые превращения карбида бора – явление, при котором материал изменяет свою внутреннюю структуру таким образом, что он находится в двух или более физических состояниях, таких как жидкое и твердое, одновременно.
Таким образом, удар пули переводит карбид бора из кристаллического состояния, в котором атомы систематически упорядочены, в состояние, подобное стеклу, в котором атомы расположены беспорядочно. Это стеклообразное состояние ослабляет целостность материала в месте контакта пули с карбидом бора.
«Когда карбид бора претерпевает фазовое превращение, стеклообразная фаза создает магистраль для распространения трещин», – сказал Се. "Таким образом, любое локальное повреждение, вызванное попаданием пули, легко распространяется по материалу и причиняет все больший ущерб."
Предыдущая работа с использованием компьютерного моделирования предсказывала, что добавление небольшого количества другого элемента, такого как кремний, может сделать карбид бора менее хрупким. Се и его группа исследовали, снижает ли добавление крошечного количества кремния фазовое превращение.
Чтобы смоделировать первоначальный удар высокоскоростной пули, исследователи сделали хорошо контролируемые вмятины на образцах карбида бора с помощью алмазного наконечника, ширина которого меньше человеческого волоса. Затем под мощным электронным микроскопом они рассмотрели микроскопические повреждения, образовавшиеся от ударов.
Се и его сотрудники обнаружили, что даже при небольшом количестве кремния степень фазового превращения снизилась на 30%, что заметно уменьшило ущерб от вдавливания.
Хотя кремний хорошо служит для улучшения свойств карбида бора, Се объяснил, что необходимо провести больше экспериментов, чтобы узнать, могут ли другие элементы, такие как литий и алюминий, также улучшить характеристики карбида бора.
В ближайшем будущем Се предсказывает, что эти более сильные родственники чистого карбида бора найдут другие невоенные применения. Одно из таких применений – ядерные щиты. Он сказал, что использование кремния в карбиде бора изменяет расстояние между атомами, и созданные пустые пространства могут быть хорошими местами для поглощения вредного излучения ядерных реакторов.
«Так же, как в кулинарии, где небольшая добавка специй может значительно усилить вкус, с помощью небольшого количества кремния мы можем значительно улучшить свойства карбида бора и, следовательно, найти новые применения для этих сверхтвердых материалов», – сказал Се.